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第 21卷第 1期
2013年 3月
纤 维 素 科 学 与 技 术
Journal of Cellulose Science and Technology
Vol. 21 No. 1
Mar. 2013
文章编号：1004-8405(2013)01-0043-08
枫香树材清洁制浆技术
刘祝兰， 熊林根， 曹云峰*
（南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京 210037）
摘 要：对速生阔叶木枫香树材的纤维形态、主要化学组成、清洁制浆及绿色漂白工
艺进行了一系列探讨。结果显示，枫香木纤维平均长度较长，长宽比均比杨木大，且
其综纤维素和戊聚糖含量高而 Klason 木素含量低，是一种很有发展潜力的制浆造纸
原料。采用硫酸盐法制浆，蒸煮后所得细浆得率为 49.9%，卡伯值为 23.0，白度为 23.8%
ISO，黏度为 734.7 mL/g。利用环境友好型漂白法——氧脱木素技术处理该枫香树材
硫酸盐浆，并在此过程中创造性地使用助剂蒽醌。四因素三水平正交试验结果表明：
用碱量、氧压、温度和时间对枫香树材硫酸盐浆添加蒽醌氧脱木素后浆料的性能均有
很大的影响。其中，温度对得率、卡伯值、白度和黏度等的影响最大，时间对卡伯值、
白度和黏度的影响最小。枫香树材硫酸盐浆添加蒽醌氧脱木素的较为适宜的工艺为：
用碱量 3%，氧压 0.7 MPa，温度 105℃，保温时间 90 min，浆浓 20%，MgSO4用量
0.5%，蒽醌用量 0.1%。在该条件下所得浆料得率 90.7%，卡伯值 7.0，黏度 545.1 mL/g，
白度 51.0%ISO，脱木素选择性 8.42×10-2。与相同条件下常规氧脱相比，卡伯值和白
度相近，但得率、黏度和脱木素选择性都有所提高。蒽醌在枫香树材硫酸盐浆氧脱木
素过程中可保护碳水化合物，提高脱木素选择性，是一种良好的氧脱木素助剂。
关键词：枫香树；纤维形态；蒽醌；氧脱木素
中图分类号：TS749.1 文献标识码：A
枫香树又名枫树（Liquidambar Formosans Hence），九孔子（江苏），枫树果（四川），
夹木蛇（湘西），为金缕梅科枫香亚科枫香属高大落叶乔木。树干高达 48 m，胸径 190 cm[1]。
叶先端渐尖，基部心形，边缘有锯齿。枫香树常生长在村旁，坡地，丘陵或山腰的树林中。
主要分布在黄河以南，江苏，安徽，浙江，江西，福建，河南，湖北，湖南，广东，广西，
四川，贵州，云南和陕西等省[2]。枫香树材生长快，轮伐周期短，出材量高且干密度达到 485～
600 kg/m3[3]。该树种具有很强的适应性，也是马尾松和杉树等混合造林的理想伴生树种[4-5]。
易利萍等[6]对枫香人工林生物量及生产力进行了研究，结果表明 21 年生枫香人工林单株生
物量为 68.42 kg，生态系统生物量为 154.10 t/hm2，乔木层生物量为 148.92 t/hm，乔木层平
均净生产力为 8.97 t/(hm2·a)，表现出较高的生产力。此外，枫香树种具有广泛的用途，能够
收稿日期：2012-09-08
基金项目：江苏省研究生培养创新工程项目（CXLX11-0529）；江苏高校优势学科建设工程资助项目。
作者简介：刘祝兰（1987~），女，博士研究生；研究方向：制浆造纸。
* 通讯作者：曹云峰，教授，博士，博士生导师；研究方向：制浆造纸与清洁生产。yunfcao@163.com
DOI:10.16561/j.cnki.xws.2013.01.012
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提供许多木材和非木材的产品。枫香树高干直，树冠宽阔，气势雄伟，深秋叶色红艳，是优
美的园林观赏树种及我国南方著名的秋色树。同时，对二氧化硫、氯气等有害气体有较强的
抗性；其表面光滑，导热系数低，耐高温耐火烧，是我国传统的森林防火树种之一。它能为
早春蜜蜂繁殖、生产提供重要的环境条件。在医药方面可应用于风湿关节炎、痢疾、皮肤湿
疹、小便不利等疾病的治疗药物中；此外，枫香树材在建筑、包装、胶合板等方面的应用也
非常广泛[7-13]。
我国造纸原料严重短缺，而目前对速生阔叶木枫香树的研究还主要集中在园林景观、医
药和木材工业上的应用，对其在制浆造纸工业的应用研究报道很少。为此，本课题组对枫香
树材的纤维形态、主要化学组成、清洁制浆及绿色漂白工艺进行了一系列探讨，以期为枫香
树材在制浆造纸工业的绿色高效利用提供理论依据。
1 实验
1.1 原料
选用江西宜春某林场枫香树木为原料，原料切片后风干储存备用。
1.2 纤维形态及化学组成测定
选取有代表性的木片试样，根据标准方法（GB/T 10336-1989）制样后在光学显微镜
（OLYMPUS BX41）下观测纤维形态。
根据 Tappi 标准[14]，选取有代表性的原料，在植物粉碎机中粉碎后取 40～60目木粉，
平衡水分后按照标准测定其水分、灰分、抽出物、综纤维素、戊聚糖等组分的含量。
1.3 硫酸盐蒸煮
枫香树材硫酸盐法蒸煮在 15 L回转式电热蒸煮锅中进行[15]。用碱量 17%（Na2O计），
硫化度 20%，液比 1∶5，最高蒸煮温度 165℃，升温时间 100 min，保温时间 60 min。
1.4 氧脱木素
氧脱木素在 1.5 L不锈钢高压釜内进行[16]。采用四因素三水平正交试验设计，研究各因
素对枫香树材硫酸盐浆添加蒽醌氧脱木素过程的影响，并优化工艺条件。
1.5 分析检测
纸浆卡伯值、白度、黏度等按照 Tappi标准[14]测定。
-
=
-
原浆卡伯值 氧脱后浆料卡伯值
脱木素选择性
原浆黏度 氧脱后浆料黏度
2 结果与讨论
2.1 纤维形态及化学组成
根据“1.2”小节的测定方法，实验所用的枫香树材的纤维形态及化学组成分别见表 1、2。
众所周知，纤维长度和长宽比可作为评价某些纤维原料特性的标准。长宽比大的纤维，
成纸时单位面积中纤维之间相互交织的次数多，纤维分布细密，成纸强度高，特别是撕裂度、
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刘祝兰等：枫香树材清洁制浆技术
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裂断长、耐折度等强度指标。由表 1可知，枫香木纤维平均长度为 1.41 mm，长宽比 53.53，
与杨木相比，分别高出 23.4%、23.6%。此外，木材密度是影响纸浆性能的重要因素，一般
适宜的密度为 0.4～0.6 g/cm3，而枫香木材密度为 0.542 3 g/cm3，且其白度也较高。因此，枫
香木是一种很好的制浆原料。
表 1 枫香木的纤维形态
名称 平均长度/ mm 宽度/ mm 长宽比 木材密度/ (g·cm-3) 白度/ %
枫香木 1.41 26.34 53.53 0.542 3 36.5
杨木[17] 1.08 26.41 40.89 0.349 3[18] 34.3[18]
表 2 枫香树材的主要化学组成（w/ %）
抽提物
树种 戊聚糖 灰分
1% NaOH 苯―醇 热水
Klason木素 综纤维素
枫香木 24.04 0.67 15.78 2.11 3.96 16.17 82.04
杨木[17] 22.71 0.52 19.64 1.94 2.25 17.04 81.32
仅凭借纤维形态分析来断定某种原料的优劣具有片面性。因此需要对该原料进行化学成
分分析。不同原料的主要化学组成不同，它们将直接影响制浆工艺的制定和制浆结果。造纸
纤维原料中的灰分含量对生产普通纸张影响不大；热水抽出物主要反映植物纤维原料中能溶
于水的无机盐、植物碱、环多醇、单宁、色素以及果胶质、植物粘液、淀粉、多乳糖等多糖
的含量多少；1% NaOH溶液除能溶解冷水和热水溶出的物质外，还能溶出部分木素、聚戊
糖、聚己糖等。苯醇混合液的溶解性能比单一的溶剂强，不仅能溶出树脂、脂肪与蜡，还可
以从原料中抽提出可溶性单宁和色素。由表 2可见，枫香木灰分、苯醇抽出物和热水抽出物
含量比杨木略高。但是 1% NaOH溶液抽出物含量比杨木低近 4个百分点，这可以在一定程
度上节省蒸煮过程中的用碱量，减少因用碱量过多而引起的碳水化合物的不必要的降解。综
纤维素、戊聚糖和木素含量是鉴别植物纤维原料制浆造纸使用价值的重要指标，数据表明枫
香树材的综纤维素和戊聚糖含量明显高于杨木，Klason 木素含量又低于杨木，这意味着枫
香树材制浆过程可以获得较高的成浆得率及成浆质量。从枫香树材纤维形态和化学组成来
看，枫香树材是一种优良的制浆造纸原料。
2.2 硫酸盐法制浆
硫酸盐法制浆是利用烧碱和硫化钠等化学品除去木片中木素，得到质量较好的浆料。该
蒸煮方法的发展是围绕降低环境污染，提高纸浆得率，降低生产成本而进行的，且该方法对
原料适应性较强，能源利用率较高。通过对枫香树材硫酸盐蒸煮的用碱量、硫化度、温度和
保温时间四因素三水平方差分析工艺技术研究[15]发现，用碱量对浆料得率和卡伯值的影响
最大，硫化度对浆料得率和卡伯值的影响最小。据此制定本实验中枫香树材硫酸盐蒸煮工艺
为：装锅量 1 500 g（绝干），用碱量 17%（Na2O计），硫化度 20%，液比 1 5∶ ，最高蒸煮温
度 165℃，升温时间 100 min，保温时间 60 min。蒸煮后所得浆料得率为 49.9%，卡伯值为
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23.0，白度为 23.8%ISO，黏度为 734.7 mL/g。
2.3 添加蒽醌氧脱木素
制浆过程中大部分木质素可在蒸煮工段除去，但是蒸煮后浆料仍残留 2%～5%的木质
素，这部分木素必须通过漂白去除[19-20]。传统的纸浆漂白以含氯漂白为主。含氯漂白废水中
含有大量的有毒物质如三氯甲烷、二噁英等，这些物质对环境造成了极大的危害[21]。随着
人们环保意识的不断增强和世界环保要求的日益提高，取缔含氯漂白的呼声越来越高，无元
素氯（ECF）和全无氯（TCF）漂白工艺已逐渐成为主流。而氧气是一种洁净廉价的漂白剂，
可减少含氯漂剂的使用，氧漂废液可直接送至碱回收系统处理。氧脱木素后浆料不仅白度稳
定，强度高，而且易打浆，是国际上造纸科学技术研究的热点[22-23]。但是由于氧气几乎不与
非酚型木素结构反应，而且同二苯基、二苯基甲烷、苯酚、b-烷基醚等结构类型的木素反应
性很低，因而限制了脱木素程度，其脱木素的选择性较差。为了获得更好的脱木素效果，许
多学者提出了采用添加助剂的方法来提高单段氧脱木素的选择性，如 H2O2[24-26]、表面活性
剂[27]、多氧金属盐[28-30]等。而蒽醌作为一种常用的碱法蒸煮助剂，可保护碳水化合物，促
进脱木素，因此，本实验对枫香树材硫酸盐浆进行氧脱木素处理，并在此过程中添加蒽醌，
以期达到较高的脱木素选择性。
2.3.1 氧脱木素正交试验结果
氧脱木素是当前已经确认的工业生产方法，其工艺参数主要包括用碱量、氧压、温度和
时间等。根据前期研究[16]，制定了枫香树材硫酸盐浆添加蒽醌氧脱木素的用碱量、氧压、
温度、时间四因素三水平正交试验工艺条件：用碱量（NaOH 计）为 2%、3%、4%，氧压
为 0.3、0.5、0.7 MPa；温度为 90、105、120℃；保温时间为 60、90、120 min；浆浓 20%，
MgSO4用量 0.5%，蒽醌用量 0.1%。氧脱木素工艺设计和研究结果见表 3。
表 3 用碱量、氧压、温度及时间四因素三水平强化氧脱木素工艺设计和试验结果
No. 用碱量 / %
氧压
/ MPa
温度
/℃
时间
/ min
氧脱后
pH
得率
/ % 卡伯值
黏度
/ (mL·g-1)
白度
/ (%ISO)
1 2 0.3 90 60 10.2 92.0 12.8 663.2 37.3
2 2 0.5 105 90 9.2 92.4 10.0 633.1 44.0
3 2 0.7 120 120 8.4 93.5 6.2 524.8 53.1
4 3 0.3 105 120 9.6 94.0 7.1 548.4 49.4
5 3 0.5 120 60 9.2 90.9 6.4 526.4 52.8
6 3 0.7 90 90 10.1 94.8 7.6 594.3 48.1
7 4 0.3 120 90 9.0 89.1 5.7 433.2 53.7
8 4 0.5 90 120 13.0 93.9 9.3 607.2 43.9
9 4 0.7 105 60 10.1 91.8 6.3 502.2 54.3
K1 92.6 91.7 93.6 91.6
K2 93.2 92.4 92.7 92.1
K3 91.6 93.4 91.2 93.8
得率
相关性
及极差
极差 1.6 1.6 2.4 2.2
第 1期
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续表 3
K1 9.7 8.5 9.9 8.5
K2 7.0 8.6 7.8 7.7
K3 7.1 6.7 6.1 7.5
卡伯值
相关性
及极差
极差 2.7 1.9 3.8 0.9
K1 44.8 46.8 43.1 48.1
K2 50.1 46.9 49.2 48.6
K3 50.6 51.8 53.2 48.8
白度
相关性
及极差
极差 5.8 5.1 10.1 0.6
K1 607.0 548.2 621.6 563.9
K2 556.4 588.9 561.2 553.5
K3 514.2 540.4 494.8 560.1
黏度
相关性
及极差
极差 92.8 48.5 126.7 10.4
由表 3得知，采用所选的用碱量、氧压、温度和时间四因素三水平对枫香树硫酸盐浆进
行添加蒽醌氧脱木素，氧脱后 pH值在 8.4～13.0之间，卡伯值为 5.7～12.8，得率为 89.1%～
94.8%，黏度为 433.2～663.2 mL/g，白度为 37.3%～54.3%ISO。
根据四因素对得率的相关性及极差可得，温度对浆料得率的极差最大，达到 2.4，而用
碱量和氧压对得率的极差相同，均为 1.6。说明在所制定的工艺条件范围内，温度对浆料得
率影响最大，而用碱量和氧压对浆料得率影响最小。用碱量、氧压、温度和时间对添加蒽醌
氧脱木素后浆料卡伯值的极差分别为 2.7，1.9，3.8和 0.9，其中温度对浆料卡伯值的极差最
大，达到 3.8，但时间对浆料卡伯值的极差最小，仅为 0.9。四因素对白度的极差分别为 5.8，
5.1，10.1和 0.6，其中温度对浆料白度的极差最大，达到 10.1，而时间对浆料白度的极差最
小，仅为 0.6。添加蒽醌氧脱木素后浆料黏度的极差分别为 92.8，48.5，126.7和 10.4，其中
温度对浆料黏度的极差最大，达到 126.7，而时间对浆料黏度的极差最小，仅为 10.4。因此，
四因素中温度对浆料卡伯值、白度和黏度三指标的影响最大而时间对三指标的影响最小。在
氧脱木素过程中，升高温度有利于木质素在碱性条件下与氧气的反应而降解，从而降低卡伯
值并提高白度，但是当温度升高时碳水化合物的降解反应也相应加强，从而影响浆料黏度，
因此，需要选定合适的温度。反应初期，木质素在碱性条件下与氧气反应而快速降解，但是
随着时间延长，整个反应体系中碱被消耗，且碳水化合物的降解也会生成酸性物质中和碱，
因而木质素的降解反应减弱，卡伯值、白度和黏度的变化也相应减小。
根据表 3中四因素对浆料的各指标的相关性及极差分析，在所选定四因素三水平内枫香
树材硫酸盐浆添加蒽醌氧脱木素较为适宜的工艺为：用碱量 3%，氧压 0.7 MPa，温度 105℃，
时间 90 min，浆浓 20%，MgSO4用量 0.5%，蒽醌用量 0.1%。
2.3.2 确认试验结果
在用碱量 3%，氧压 0.7 MPa，温度 105 ℃，时间 90 min，浆浓 20%，MgSO4用量 0.5%
的条件下进行常规氧脱木素，并与该条件下添加蒽醌（用量 0.1%）的氧脱木素浆料进行比
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较，结果见表 4。
表 4 常规氧漂与添加蒽醌氧漂结果对比
漂白方法 得率/ % 氧脱后 pH 卡伯值 黏度/ (mL·g-1) 白度/ (%ISO) 脱木素选择性
常规氧漂 89.1 9.2 6.9 536.0 51.2 8.07×10-2
蒽醌氧漂 90.7 9.3 7.0 545.1 51.0 8.42×10-2
由表 4中数据可得，在所选定的工艺条件下，常规氧脱木素得率为 89.1%，氧脱木素后
pH为 9.2，卡伯值 7.0，黏度 536.0 mL/g，脱木素选择性为 8.07×10-2，白度为 51.2%ISO。
而在添加蒽醌氧脱木素工艺中，得率为 90.7%，与常规氧脱木素相比提高了近 2个百分点；
氧脱后 pH、卡伯值和白度分别为 9.3、7.0和 51.0%ISO，与常规氧脱木素均相近；而黏度达
到 545.10 mL/g，比常规氧脱略有提高；且脱木素选择性也比常规氧脱有所提高。
由此可见，在达到与常规氧脱木素后浆料相同的卡伯值和白度的前提下，添加蒽醌氧脱
木素后的浆料具有相对较高的得率、黏度以及脱木素选择性。因此，蒽醌在枫香树材硫酸盐
浆氧脱木素过程中可保护碳水化合物，提高脱木素选择性。
3 结论
枫香木纤维平均长度和长宽比均较高，且其综纤维素和戊聚糖含量明显偏高，而 Klason
木素含量较低。因此，枫香树材制浆过程可以获得较高的成浆得率及成浆质量，表明枫香树
材是一种很有发展潜力的制浆造纸原料。
枫香树材硫酸盐蒸煮条件为：装锅量 1 500 g（绝干），用碱量 17%（Na2O计），硫化度
20%，液比 1∶5，最高蒸煮温度 165℃，升温时间 100 min，保温时间 60 min。蒸煮后所得
浆料得率为 49.9%，卡伯值为 23.0，白度为 23.8%ISO，黏度为 734.7 mL/g。
采用环境友好型漂白方法——氧脱木素技术处理枫香树材硫酸盐浆，并在此过程中尝试
使用助剂蒽醌。结果表明：用碱量、氧压、温度和时间对枫香树材硫酸盐浆添加蒽醌氧脱木
素后浆料的性能均有很大的影响。其中，温度对得率、卡伯值、白度和黏度等的影响最大；
时间对卡伯值、白度和黏度的影响最小；而用碱量和氧压对脱木素选择性的影响也比较大，
但对得率的影响很小。
在所选定的四因素三水平内，枫香树材硫酸盐浆添加蒽醌氧脱木素的较为适宜的工艺条
件为：用碱量 3%，氧压 0.7 MPa，温度 105℃，保温时间 90 min，浆浓 20%，MgSO4用量
0.5%，蒽醌用量 0.1%。在该条件下所得浆料得率为 90.7%，卡伯值为 7.0，黏度为 545.1 mL/g，
白度为 51.0%ISO，氧漂后 pH 9.3，氧脱木素选择性为 8.42×10-2。与相同条件下常规氧脱相
比，卡伯值和白度相近，但得率、黏度和脱木素选择性都有所提高。蒽醌在枫香树材硫酸盐
浆氧脱木素过程中可保护碳水化合物，提高脱木素选择性，是一种良好的氧脱木素助剂。该
制浆工艺方法可为枫香树材在制浆造纸工业中的绿色高效利用提供一定的参考。
第 1期
刘祝兰等：枫香树材清洁制浆技术
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纤 维 素 科 学 与 技 术
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The Low Pollution Pulping of Maple
LIU Zhu-lan, XIONG Lin-gen, CAO Yun-feng*
（Jiangsu Provincial Key Laboratory of Pulp and Paper Science and Technology, Nanjing Forestry University,
Nanjing 210037, China）
Abstract: This study was focused on the fiber morphology, chemical composition, and low
pollution pulping and bleaching of Maple. The results showed Maple is a great pulp and paper-
making material, because of its higher fiber length and the length/width ratio, higher contents of
holocellulose and pentosan, but lower contents of Klason lignin. After kraft pulping, the Maple
kraft pulp was obtained with screened pulp yield of 49.9%, Kappa number of 23.0, brightness of
23.8%ISO and intrinsic viscosity of 734.7 mL/g. An L9(34) orthogonal test was then designed to
study the oxygen delignification with anthraquinone (AQ) of Maple kraft pulp. In this part, the
effects of four factors on the oxygen delignification with AQ of Maple kraft pulp were analyzed.
The optimal oxygen delignification conditions with AQ were determined as alkali charge was 3%
with oxygen delignification of 0.5 MPa at 120℃ for 85 min. At these optimal conditions, the
oxygen delignified Maple pulp was obtained with the yield 90.7%, Kappa number 7.0, intrinsic
viscosity 545.1 mL/g, brightness 51.0%ISO and delignification selection 8.42×10-2. In contrast to
conventional oxygen delignification without AQ, the pulp yield, intrinsic viscosity and
delignification selection were all increased. So AQ is a good oxygen delignification additive
which can protect carbohydrate, although cannot enhance the delignification.
Key words: Maple; fiber morphology; anthraquinone (AQ); oxygen delignification